基于insbi的准全方位振动传感器的设计

基于insbi的准全方位振动传感器的设计

0磁阻式振动传感器在日常生活、工程和生产中，振动是普遍存在的。人们使用if-in磁阻振动传感器可以进行报警和检测，该传感器可用于工程机器的振动检测、车辆盗窃警报、振动锁定、自动控制开关等。但是,制成的这种传感器存在检测方位范围单一的缺陷,只有一个基准方位,仅可检测铁磁滚珠垂直该方位运动的振动。为了扩大磁阻式振动传感器的检测方位范围,增强其实用性,本文研制了二维InSb-In磁阻式振动传感器。这种传感器将检测方位范围由一维扩展到二维平面,以空间中的2个垂直方向为基准方位来检测铁磁滚珠运动。对该传感器的性能进行测试,结果表明:待测振动强度上升至1m·s-2的过程中,传感器输出信号与待测强度基本成线性关系,即随加速度的增加而逐步增大;待测振动强度达到1m·s-2后,输出信号保持稳定。此工作性质由该传感器的特殊结构决定,使其在实际应用中防冲击、防破坏、性能良好,即使受到较大的撞击,传感器依然保持输出正常稳定,比较适用于防盗报警。同时,采用单片机汇编语言编制的程序处理信号,使传感器的检测性能优于普通振动传感器。1载流子引起电阻的变化二维InSb-In振动传感器工作原理的理论基础是磁阻效应,它指某些半导体材料电阻值随外加磁场强弱不同而变化。通有电流的半导体材料放于磁场中,并且,使磁场方向与其电流方向垂直,由于洛伦兹力作用,载流子方向改变,路径加长,从而阻值改变。对于2种载流子(电子和空穴)的迁移率十分悬殊的半导体材料,其中,迁移率较大的一种载流子引起的电阻变化可表示为(ρB-ρ0)/ρ0=Δρ/ρ0=0.275μ2B2,式中B为外加磁场的磁感应强度,T;ρB和ρ0分别表示磁感应强度为B和0时的电阻率;μ为该种载流子的迁移率。采用薄膜工艺制造InSb-In共晶体,其电阻变化率高,克服了传统工艺的许多缺点,节约材料和提高了效率。2振动传感器的结构为了可以全方位检测到物体的振动,本文研制了一种新型的InSb-In磁阻式振动传感器。它由两组对称轴方向互相垂直的磁敏元件构成,结构如图1(a)所示,每组磁敏电阻各含有2个InSb-In磁敏元件MR1,MR2与MR3,MR4,中间用环氧树脂密封隔离。这两对磁敏元件的对称轴在水平方向互相垂直,以空间中的2个垂直方向为基准方位来检测铁磁滚珠运动,扩大了只用一对磁敏元件制成的振动传感器(称为原磁阻振动传感器)的检测范围。环氧树脂用于粘着、隔离上方磁敏元件。引脚1～3分别为下方MR3与MR4的电源线、地线、信号输出线,引脚4为上方MR1与MR2的信号输出线。MR1,MR2与MR3,MR4共用一根地线和一根电源线。这样,由共同电源提供电压,振动产生的电信号经过上下部分的磁敏元件组,分别由不同的2个引脚输出,从而反映出磁敏元件阻值变化。二维InSb-In磁阻式振动传感器的整体结构如图1(b)所示,由铁磁性金属滚珠、内球面状支撑片、磁敏元件(MR1,MR2和MR3,MR4)、环氧树脂层、永久磁铁、起屏蔽保护作用的金属外壳等组成。其中,MR1,MR2是一对阻值大致相等的磁敏元件,MR3和MR4关系亦如此。永磁铁发出的磁力线在空间发散,有一部分穿越磁敏电阻和金属滚珠,且分布基本对称。振动传感器受到任意振动或移动的扰动时,金属滚珠会在空腔中任一方向移动,使磁力线分布改变,导致磁敏元件MR1,MR2与MR3,MR4上的偏置磁场发生不同变化。由InSb-In共晶体的磁敏效应引起磁敏元件的电阻值改变,输出随之而变化的电信号,从而检测到振动或移动。3振动传感器的二维处理原理3.1滞回比较器门限影响的确定图2为二维InSb-In振动传感器处理信号的过程示意图。图中,采用低噪声集成运算放大器,其中,IC1～IC4为二阶放大滤波器,IC5为实现输入信号叠加的加法器,IC6为滞回比较器。振动传感器将两组磁敏元件感应到的振动信号分别转化为微弱电信号,并分别通过IC1与IC2,IC3与IC4进行放大,形成可用电信号,然后,通过加法器IC5,使MR1,MR2与MR3,MR4输出的模拟电信号进行叠加,形成一路完整的振动模拟信号,最后,这路模拟信号通过比较器IC6变为矩形波信号。为剔除偶然振动,还将用单片机判断。实验表明:滞回比较器门限变化宽度一般可选择在500～800mV范围内。并且,本实验电路增益保持在70～80dB之间,从信号电路OUT1,OUT2端处观察到,两路输出信号相位差随机分布在0°～180°之间。3.2振动传感器测试InSb-In磁阻式振动传感器灵敏度很高,实际应用中,对微弱的偶然振动易产生误报,用单片机P87LPC760进行信号处理。P87LPC760属OTP单片机,其执行命令速度高,且可大大减少元件数目和电路板面积。判断处理信号过程:比较器IC6输出脉冲信号时,单片机立即对其进行采样,并在0.5s时段内记录输出的脉冲个数。若方波脉冲个数不小于3个,则认为该时间段内振动信号有效,记为实信号输出;反之,虚信号输出。然后,每隔20ms对振动传感器进行连续4次的0.5s时段采样,并判断每0.5s采样段内输出信号的实虚情况;若2次有实信号输出,则为真触发,启动应用系统。由于单片机的使用,大大增强了信号处理过程的准确和实用性。4vb处总输出信号vo为实现对振动传感器的磁敏电阻总输出信号的测量,需要在图2中的OUT3端取出有用信号,通过计算得到图2中Va,Vb处总输出电信号Vo的大小,这里,Vo为字符变量,表示磁头的Va,Vb处输出信号的叠加结果。其中,采用中频振动标准装置来检测InSb-In振动传感器,采用该系统对传感器输出信号与振动强度大小之间的关系、机械振动通频带宽等特性进行了测试,其测量精度为2%。4.1噪声峰峰值分布随机选取8只磁敏元件,分别在图2中的Va,Vb处测量噪声。测量结果表明:MR1,MR2磁敏元件噪声峰峰值在43.25～45.16μV之间变化,平均值约为44μV;磁敏元件MR3与MR4产生的噪声峰峰值在38.67～41.58μV范围内,其平均值约为40μV。4.2t.3t最大的为3.2倍随机选取1只InSb-In振动传感器,其中的磁敏元件灵敏度在0.3T下为3.2倍。使待测信号的0振动频率保持在160Hz不变,改变检测振动强度,计算Vo在不同振动强度时的峰峰值VP-P,得出磁敏元件输出信号与振动强度的关系如图3所示。4.3振动信号的峰峰值vp-p保持振动强度不变,即a=0.98m·s-2=0.1gn不变,而振动检测频率f从0～900Hz变化,得出磁敏元件输出总信号Vo的峰峰值VP-P,其关系如图4所示。从图形中可以看出:传感器机械振动有效频带不窄于4～760Hz,当振动频率保持在该区间,磁敏元件输出的总信号Vo经放大后,可由滞回比较器转化为矩形波信号,即传感器能检测到振动信号。在通频带范围内,经换算,灵敏度约为16mV/gn,将信号Vo的峰峰值VP-P和前面得到的噪声信号峰峰值相比,得此时信噪比为30～32dB。5机械频率检测新型二维InSb-In振动